Науглероживание или цементация — это процесс термической обработки , при котором железо или сталь поглощают углерод , пока металл нагревается в присутствии углеродсодержащего материала, такого как древесный уголь или оксид углерода . Цель состоит в том, чтобы сделать металл более твердым и износостойким. [1] В зависимости от времени и температуры, затронутая область может иметь разное содержание углерода. Более длительное время цементации и более высокие температуры обычно увеличивают глубину диффузии углерода. Когда железо или сталь быстро охлаждаются путем закалки , более высокое содержание углерода на внешней поверхности становится твердым из-за превращения из аустенита в мартенсит , в то время как сердцевина остается мягкой и прочной в виде ферритной и/или перлитной микроструктуры . [2]
Этот производственный процесс можно охарактеризовать следующими ключевыми моментами: он применяется к низкоуглеродистым заготовкам; заготовки контактируют с высокоуглеродистым газом, жидкостью или твердым телом; он создает твердую поверхность заготовки; сердцевины заготовок в значительной степени сохраняют свою прочность и пластичность ; и он создает глубину твердости слоя до 0,25 дюйма (6,4 мм). В некоторых случаях он служит средством от нежелательного обезуглероживания , которое произошло ранее в процессе производства.
Науглероживание стали подразумевает термическую обработку металлической поверхности с использованием источника углерода. [3] Науглероживание может использоваться для повышения поверхностной твердости низкоуглеродистой стали. [3]
Ранняя цементация использовала прямое нанесение древесного угля , упакованного вокруг обрабатываемого образца (первоначально это называлось закалкой ), но современные методы используют углеродсодержащие газы или плазму (например, углекислый газ или метан ). Процесс зависит в первую очередь от состава окружающего газа и температуры печи, которые должны тщательно контролироваться, поскольку тепло может также влиять на микроструктуру остальной части материала. Для применений, где желателен большой контроль над составом газа, цементация может происходить при очень низких давлениях в вакуумной камере.
Плазменная цементация все чаще используется для улучшения поверхностных характеристик (таких как износ, коррозионная стойкость, твердость , несущая способность, в дополнение к качественным переменным) различных металлов, особенно нержавеющих сталей . Процесс является экологически чистым (по сравнению с газообразной или твердой цементацией). Он также обеспечивает равномерную обработку компонентов со сложной геометрией (плазма может проникать в отверстия и узкие зазоры), что делает его очень гибким с точки зрения обработки компонентов.
Процесс науглероживания происходит посредством диффузии атомов углерода в поверхностные слои металла. Поскольку металлы состоят из атомов, тесно связанных в металлическую кристаллическую решетку , атомы углерода диффундируют в кристаллическую структуру металла и либо остаются в растворе (растворяются в кристаллической матрице металла — это обычно происходит при более низких температурах), либо реагируют с элементами в основном металле, образуя карбиды (обычно при более высоких температурах из-за более высокой подвижности атомов основного металла). Если углерод остается в твердом растворе, сталь затем подвергается термической обработке для ее закалки. Оба эти механизма укрепляют поверхность металла, первый — путем образования перлита или мартенсита, а второй — путем образования карбидов. Оба эти материала твердые и устойчивы к истиранию.
Газовая цементация обычно проводится при температуре в диапазоне 900–950 °C.
При кислородно-ацетиленовой сварке науглероживающее пламя — это пламя с малым содержанием кислорода, которое дает коптящее пламя с более низкой температурой. Его часто используют для отжига металла, делая его более пластичным и гибким в процессе сварки.
Основной целью при производстве цементированных заготовок является обеспечение максимального контакта между поверхностью заготовки и богатыми углеродом элементами. При газовой и жидкой цементации заготовки часто поддерживаются в сетчатых корзинах или подвешиваются на проволоке. При пакетной цементации заготовка и углерод заключаются в контейнер, чтобы обеспечить контакт на максимально возможной площади поверхности. Контейнеры для пакетной цементации обычно изготавливаются из углеродистой стали, покрытой алюминием или жаропрочным никель-хромовым сплавом, и герметизируются на всех отверстиях огнеупорной глиной.
Науглероживание может быть достигнуто либо в обычной печи (атмосферной печи), либо в печи науглероживания низкого давления (LPC). [4]
Существуют различные типы элементов или материалов, которые могут быть использованы для выполнения этого процесса, но они в основном состоят из материала с высоким содержанием углерода. Несколько типичных упрочняющих агентов включают оксид углерода (CO), цианид натрия и карбонат бария или древесный уголь из твердых пород дерева. При газовой цементации углерод выделяется пропаном или природным газом . При жидкой цементации углерод получается из расплавленной соли, состоящей в основном из цианида натрия (NaCN) и хлорида бария (BaCl 2 ). При пакетной цементации оксид углерода выделяется коксом или древесным углем из твердых пород дерева.
Существуют всевозможные заготовки, которые можно цементировать, что означает почти безграничные возможности для формы материалов, которые можно цементировать. Однако следует тщательно рассмотреть материалы, которые содержат неравномерные или несимметричные сечения. Различные поперечные сечения могут иметь разные скорости охлаждения, что может вызвать чрезмерные напряжения в материале и привести к поломке. [5]
Фактически невозможно подвергнуть заготовку науглероживанию без каких-либо изменений размеров. Количество этих изменений зависит от типа используемого материала, процесса науглероживания, которому подвергается материал, а также от исходного размера и формы заготовки. Однако изменения невелики по сравнению с операциями термообработки. [5]
Обычно карбонизуются низкоуглеродистые и легированные стали с начальным содержанием углерода от 0,2 до 0,3%. Поверхность заготовки должна быть свободна от загрязнений, таких как масло, оксиды или щелочные растворы, которые препятствуют или затрудняют диффузию углерода в поверхность заготовки. [5]
В целом, оборудование для цементации пачками может вмещать более крупные заготовки, чем оборудование для цементации жидкостью или газом, но методы цементации жидкостью или газом быстрее и подходят для механизированной обработки материалов. Также преимущества цементации перед нитроцементацией заключаются в большей глубине корпуса (возможна глубина корпуса более 0,3 дюйма), меньшей деформации и лучшей ударной вязкости. Это делает его идеальным для высокопрочных и износостойких применений (например, ножницы или мечи). К недостаткам относятся дополнительные расходы, более высокие рабочие температуры и увеличенное время. [5]
В целом, газовая цементация используется для деталей большого размера. Жидкостная цементация используется для деталей малого и среднего размера, а пакетная цементация может использоваться для крупных деталей и индивидуальной обработки небольших деталей оптом. Вакуумная цементация (цементация низкого давления или LPC) может применяться для широкого спектра деталей при использовании в сочетании с закалкой в масле или газом высокого давления (HPGQ), в зависимости от легирующих элементов в базовом материале. [5]